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가설 설정
- 모델에는 증기분배덕트에서 포화상태 증기의 균일한 분배, 공기의 균일한 분포, 그리고 관내 측 불응축 가스 없음과 같은 가정이 적용되었고 이러한 가정은 실제 설계의 목적이나 기존의 연구결과에 기반을 두었다. 그 결과 본 연구에서 예측한 ACC의 용량은 제조사가 제시한 데이터와 비교하여 1.
- 본 연구에서는 모든 관에 동일한 양의 증기가 흐르며 열교환기 전면의 공기분포가 일정하다고 가정하였다. 따라서 응축기 전체의 냉각용량은 하나의 single-low fin tube에 대해 모델링과 시뮬레이션을 실시하고 그 냉각용량을 전체 관의 개수로 곱하여 계산되었다.
제안 방법
- Yang et al.[6]은 지정된 single-low fin tube 형상에 대해 공기 측 열전달 및 압력강하 특성을 측정하고 그 결과를 그들의 수치해석 결과와 비교하여 모델을 검증한 후, 추가적인 시뮬레이션을 실시하여 유속, 핀 간격, 핀 높이가 공기 측의 열전달 및 압력강하 성능에 미치는 영향을 분석하였다. Moore et al.
- 따라서 본 연구에서는 정해진 형상을 갖는 ACC에 대해 공기 측과 관 내측의 열전달 현상을 고려한 수치모델을 개발하였고, 시뮬레이션을 수행한 후 그 결과를 기존의 공개된 데이터와 비교하여 검증을 실시하였다. 검증된 모델을 이용하여 주변 공기온도, 공기유속, 증기유량의 변화에 따른 ACC 용량을 예측하고 각 운전조건이 ACC 성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 하지만 관내부의 열전달 현상을 고려하는 ACC의 모델에 대한 개발이 부족하며, 그 결과 물 측 유동조건 변화에 따르는 ACC 성능특성과 열저항의 변화에 대한 기존의 연구가 많지 않음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 정해진 형상을 갖는 ACC에 대해 공기 측과 관 내측의 열전달 현상을 고려한 수치모델을 개발하였고, 시뮬레이션을 수행한 후 그 결과를 기존의 공개된 데이터와 비교하여 검증을 실시하였다. 검증된 모델을 이용하여 주변 공기온도, 공기유속, 증기유량의 변화에 따른 ACC 용량을 예측하고 각 운전조건이 ACC 성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 모든 관에 동일한 양의 증기가 흐르며 열교환기 전면의 공기분포가 일정하다고 가정하였다. 따라서 응축기 전체의 냉각용량은 하나의 single-low fin tube에 대해 모델링과 시뮬레이션을 실시하고 그 냉각용량을 전체 관의 개수로 곱하여 계산되었다. 이는 지나치게 단순화된 가정이라 생각할 수 있으나 분명한 타당성을 갖는다.
- 먼저 모델의 검증을 위해 실제 ACC 시스템에 적용되는 single-low fin tube의 형상과 입구조건을 활용하여 시뮬레이션을 실시하였으며 이를 제조사가 제안한 ACC 용량[8]과 비교하였다. 공기 측 핀의 종횡비는 0.
- 본 연구에서는 발전소용 공랭식 응축기(ACC)에 대해 ε-NTU 기법을 사용하여 모델을 개발하고 시뮬레이션을 실시하였다.
- 본 연구에서는 하나의 single-low fin tube를 100개의 검사체적으로 나누어 모델링하였다. 각 검사체적에는 ε-NTU 방법[10]을 적용하였으며 두 유동은 섞이지 않는 직교유동으로 고려되었다.
- 본 연구에서는 발전소용 공랭식 응축기(ACC)에 대해 ε-NTU 기법을 사용하여 모델을 개발하고 시뮬레이션을 실시하였다. 주요한 운전조건 변수인 공기의 유속, 공기의 온도 그리고 물의 질량유속 변화에 따른 성능특성을 고찰하였다.
이론/모형
- 각 검사체적에는 ε-NTU 방법[10]을 적용하였으며 두 유동은 섞이지 않는 직교유동으로 고려되었다.
- 공기 측 열전달 계수는 Teertstra[12]가 제시한 방법을 적용하여 계산하였으며 Moore et al.[7]은 Teertstra[12]의 계산방법이 ACC 공기 측 열전달 계수의 계산에 유용하다고 보고하였다.
- 전체 열저항을 구하기 위해서는 수증기 측과 공기 측의 열전달계수 예측이 필요하다. 본 연구에서는 수증기 측 열전달 계수의 예측을 위해 Shah[11]가 제안한 상관식을 활용하였으며 식 (1), (2)로 표현된다. Shah[11]의 상관식은 형태가 비교적 간단하면서도 막 응축 현상의 예측에 정확한 값을 제공해 준다고 알려져 있다.
- ACC의 관 내부에서는 낮은 질량유속 조건으로 중력의 영향이 비교적 큰 막 응축 현상이 발생하고 있어 본 상관식의 적용이 적절한 것으로 판단되었다. 응축이 종료된 후 과냉각 상태 물에 대한 관내 열전달 계수의 계산에는 난류조건인 경우 Dittus-Boelter 상관식[10], 층류 조건인 경우 일정 벽온도 조건을 활용하여 계산하였다. 식 (1)에서 x는 건도, P는 압력, Pcr은 작동유체의 임계압력이다.
성능/효과
- 공기 측과 물 측의 열저항을 비교한 결과 ACC의 넓은 영역에서 물 측의 열저항이 공기 측의 열저항 보다 큰 것으로 예측되었다. 이는 ACC 내부의 물 측 질량유속이 낮은 작동조건의 특성에 기인한 것이다.
- 공기의 온도 증가에 따라 냉각용량은 감소하였고 특히 35°C 이상의 온도에서는 용량의 급격한 감소가 예측되었다.
- 공기의 유속 증가에 따라 냉각용량이 증가함을 보였으나 2.4 m/s 이상에서는 그 증가율이 감소하고 3.2 m/s 이후에는 유속의 증가에 따른 냉각용량의 증가가 미미함을 확인하였다. 공기의 온도 증가에 따라 냉각용량은 감소하였고 특히 35°C 이상의 온도에서는 용량의 급격한 감소가 예측되었다.
- 이는 질량유속의 증가가 관 내측 열전달 계수를 증가시키기 때문이다. 관 내측 응축열전달 계수를 예측하는 상관식을 보면 응축열전달이 질량유속에 비례하여 증가하는 식이 대부분이며 본 연구에서 사용된 Shah[11] 상관식에서도 응축열전달 계수가 질량유속의 0.8승에 비례하여 증가한다고 제시하였다. 이러한 관 내측 열전달 계수의 증가는 물 측 열저항의 감소를 의미하며 Fig.
- 공랭식 응축기의 경우 공기 측의 열저항이 관내 측 열저항보다 크기 때문에 공기 측의 열저항을 감소시키기 위해 핀을 설치하는 것이 일반적이다. 관이 갖는 전도 열저항의 비율은 공기 측이나 관 내측 열저항보다 훨씬 작은 것이 보통이며 본 연구에서 관의 전도 열저항이 전체 열저항에서 차지하는 비율은 0.25%에서 0.97% 사이였다. Fig, 2(c)가 보여주는 것과 같이 물 입구 측에서는 일반적인 공랭식 열교환기의 특징과 유사하게 공기 측의 열저항이 물 측 열저항에 비해 약 3.
- [7]은 기존과 다른 형상을 갖는 모듈형 ACC의 적용을 통해 기존의 single-low fin tube를 갖는 ACC와 비교한 해석적 연구와 경제성 평가를 수행하였다. 그 결과 ACC 형상이 냉각성능과 시스템의 운전비용에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다.
- 모델에는 증기분배덕트에서 포화상태 증기의 균일한 분배, 공기의 균일한 분포, 그리고 관내 측 불응축 가스 없음과 같은 가정이 적용되었고 이러한 가정은 실제 설계의 목적이나 기존의 연구결과에 기반을 두었다. 그 결과 본 연구에서 예측한 ACC의 용량은 제조사가 제시한 데이터와 비교하여 1.9%의 차이를 보였다.
- 이는 ACC 내부의 물 측 질량유속이 낮은 작동조건의 특성에 기인한 것이다. 따라서 ACC의 관 내측에 열전달을 향상시킬 수 있는 기술을 적용하는 경우 성능의 향상이 가능할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구의 기준 운전조건에서 허용 가능한 운전변수의 영역은 각각 공기속도 2.02 m/s 이상, 공기온도 38.6°C 이하, 물의 질량유속 3.79 kg/m2s 이하로 예측되었다.
- 3(a)의 동일 유속 조건에서 냉각용량은 거의 정체되고 있다. 따라서, 공기 유속이 3.2 m/s 이상인 조건에서 용량의 정체현상은 공기 측 열저항 변화에 원인이 있기보다, 과냉각 상태 물 유동 구간의 증가에 의한 물과 공기의 온도차 감소의 영향이 더 큰 것으로 판단된다. Fig.
- 7(b)의 관 내측 건도 변화의 영향으로 설명이 가능하다. 물 측 열저항이 갑자기 감소하는 구간은 출구의 건도가 0에서 0 이상으로 변하는 질량유량의 영역과 거의 일치함을 확인할 수 있다. 관 내측이 모두 2상 유동인 경우 액체만 흐르는 단상유동 구간이 존재하기 않아 내부의 열전달 계수가 크고, 그 결과물 측 열저항이 갑자기 감소하는 경향을 보이는 것이다.
- [4]은 기후적 요소인 외부에서 작용하는 바람이 ACC 용량에 큰 영향을 미치고 있음을 수치적 연구를 통해 보여주었다. 바람의 풍속, 방향, ACC의 형상 특성에 의해 용량은 크게 달라지며 최대 약 50% 정도의 용량 변화가 있음을 계산하였다. 이러한 바람의 영향을 최소화하기 위해서 ACC 주변에는 방풍커튼이 설치되며, 방풍커튼은 ACC의 안정적인 운전에 기여한다고 보고되었다[5].
- 65 kW로 예측되었다. 예측 결과와 제조사의 성능 데이터 사이의 오차는 +1.9%였으며, 이를 통해 타당한 가정이 적용된 단순화된 모델로 비교적 정확한 용량의 예측이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 하지만 관 내측에서 응축이 진행됨에 따라 물 측 열저항이 점점 증가하여 전체 열저항에서 차지하는 비중이 커진다. 전체 길이의 67% 지점인 건도가 0.168 조건에서는 공기 측과 물 측의 열저항이 거의 같아지며, 이후에는 오히려 물 측 열저항이 커지는 결과를 보여준다. 물 측 출구에서 열저항 비를 보면 물 측 열저항이 공기 측 열저항의 약 6.
- 31 kg/m2s이다. 주어진 조건에서 관 한 개당 냉각용량은 24.19 kW 이며, 본 연구에서 개발한 모델을 활용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 냉각용량이 24.65 kW로 예측되었다. 예측 결과와 제조사의 성능 데이터 사이의 오차는 +1.
- 기존의 연구결과를 살펴보면 주변 공기유동 분포 및 공기 측 형상에 따른 ACC의 용량 및 압력강하 성능 특성에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 하지만 관내부의 열전달 현상을 고려하는 ACC의 모델에 대한 개발이 부족하며, 그 결과 물 측 유동조건 변화에 따르는 ACC 성능특성과 열저항의 변화에 대한 기존의 연구가 많지 않음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 정해진 형상을 갖는 ACC에 대해 공기 측과 관 내측의 열전달 현상을 고려한 수치모델을 개발하였고, 시뮬레이션을 수행한 후 그 결과를 기존의 공개된 데이터와 비교하여 검증을 실시하였다.
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